KR102052733B1

KR102052733B1 - 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치

Info

Publication number: KR102052733B1
Application number: KR1020190026065A
Authority: KR
Inventors: 김근식
Original assignee: 주식회사 정엔지니어링
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-12-11

Abstract

베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)가 개시된다. 상기 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 굴뚝 내의 배출가스로부터 미세먼지 시료를 채취하도록 구성되는 시료 채취부(10); 베타레이 소스(36) 및 베타레이 검출기(39)를 활용하여, 상기 시료 채취부(10)에 의해 채취된 미세먼지 시료에 기초하여 굴뚝 내 미세먼지의 양을 측정하도록 구성되는 시료 측정부(30); 및 상기 시료 채취부(10) 및 상기 시료 측정부(30)를 상호 단열시키도록 구성되는 단열부(20)를 포함할 수 있다.

Description

베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치{AN APPARATUS FOR MEASURING FINE PARTICULATE MATTER WITHIN A STACK BASED ON BETA-RAY}

본 발명은 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로는 많은 양의 수분을 함유하는 굴뚝 배출가스에서 미세먼지의 양을 측정함에 있어 수분의 질량 농도를 배제하도록 함으로써 미세먼지 측정 오차를 최소화할 수 있도록 하는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 관한 발명이다.

일반적으로 화석 연료를 태워서 그 화력으로 발전하는 화력 발전소, 산업 폐기물이나 일반 생활 쓰레기를 소각 처리하는 소각장 등에서는 인체에 유해한 다양한 종류의 배출가스가 배출된다. 이러한 유해 물질은 입자상 물질, 할로겐족가스와, 질소산화물, 아황산가스, 일산화탄소, 염화수소, 암모니아, 등의 연소 가스를 포함할 수 있다. 이와 같은 유해 물질은 인체에 흡수된 후에 축적이 되면 각종 질병을 유발할 뿐만 아니라 자연 환경에도 나쁜 영향을 미치는 것으로 각종 조사 및 실험을 통해 입증되고 있다.

이러한 이유로 전세계적으로 소각장 및 화석 연료를 사용하는 사업장의 경우에는 강력한 법에 의해 유해 물질의 배출량을 규제 받고 있으며, 국내에서도 환경부 고시를 통해서 배출가스에 포함되는 유해 물질의 배출량을 제한하고 있다.

미세먼지 등의 입자상 물질(PM; particulate matter)의 농도를 측정하는 방법 중 하나는 해당 입자성 물질을 분리하여 여과지에 포집하여 측정하는 중량법(Gravimetric method)이 있으나, 중량법의 경우 일정 시간이 경과하게 되면 입자성 물질이 여과지에 막히게 되어 입자상 물질의 연속적인 측정이 불가능하다는 심각한 단점이 있다. 다른 방법으로서 실시간 측정이 가능한 광학적 산란(optical scattering) 기반의 측정 방식이 있으나, 이 방식은 측정 오차가 상대적으로 높다는 단점이 있다.

이에 비해, 베타레이(또는 베타선)의 감쇄 원리를 활용하여 입자상 물질의 농도를 측정하는 베타레이 측정법은 실시간 측정이 가능하면서도 동시에 측정 오차가 상대적으로 적다는 장점이 있다. 이러한 베타레이의 감쇄 원리를 이용하여 미세먼지를 측정하는 일반적인 베타레이 미세먼지 측정 장치가 도 1에 도시된다.

시료 투입구(1)를 통해 입자상 물질이 투입되면, 필터 여지(2)의 일부 영역에서 미세먼지 시료가 채취되고, 베타레이 소스 하우징(3) 내에 배치된 베타레이 소스로부터의 베타레이가 미세먼지 시료가 채취된 필터 여지(2)를 통과하여 베타레이 검출기(4)에서 검출되며, 베타레이 검출기(4)는 검출된 베타레이의 양에 기초하여 감쇄 원리에 따라 미세먼지의 양을 측정한다. 필터 여지(2)를 통과한 시료는 시료 배출구(5)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

참고로, 도 1에 도시되는 바와 같은 일반적인 베타레이 미세먼지 측정 장치는 일반 대기(ambient atmosphere)에서의 미세먼지 측정을 위한 장치로서, 시료의 채취와 측정이 동일한 영역에서 이루어진다. 이러한 일반적인 베타레이 미세먼지 측정 장치는 굴뚝 내 배출가스의 미세먼지를 측정하기 위해서는 활용될 수 없는데, 왜냐하면 (i) 굴뚝 내 배출가스에는 엄청난 양의 수분이 존재하고 이러한 수분이 미세먼지 측정에 있어 상당한 오차의 원인이 되고, (ii) 베타레이 검출기의 경우 동작 가능한 상한 온도가 약 40도에 해당하므로 배출가스 중 미세먼지 측정을 위한 규정 온도 조건(약 120도)과 상충하기 때문이다.

그러므로, 일반적인 대기가 아닌 굴뚝 내 배출가스에서의 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 새로운 타입의 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 관한 필요가 당업계에서 점차 증가하고 있는 상황이다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 굴뚝 내 배출가스에서의 수분의 응축을 배제하도록 함으로써 미세먼지 측정에 있어 오차를 최소화하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 시료 채취 단계에서 배출가스 시료 측정 기준에 따른 온도 범위를 유지하도록 함으로써 보다 정확한 미세먼지 측정을 가능하게 하는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 시료 채취와 시료 측정을 공간적으로 분리하고 상호 단열을 구현함으로써 시료 채취에서의 고온 조건과 시료 측정에서의 항온 조건을 동시에 충족시킬 수 있도록 하는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 단열 공간을 제공함으로써 온도에 매우 예민한 베타레이 검출기를 보호하여 미세먼지 측정의 오차를 최소화하고 신뢰성을 향상시키며 안정성을 향상시킬 수 있는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 시료 측정부의 항온 조건을 구현하기 위해서 펠티에 소자를 활용함으로써 단일 소자로 가열 및 냉각을 모두 구현하도록 하고 그에 따라 측정 장치의 성능 향상을 도모할 수 있도록 하는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 시료의 채취 및 측정 시에 필터 여지에 승강 부재가 하강 밀착하도록 구현함으로써 시료의 외부 수분 및 이물질의 혼입을 방지하고 그에 따라 미세먼지 시료의 정확한 측정 정밀도를 유지할 수 있는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치는, 굴뚝 내의 배출가스로부터 미세먼지 시료를 채취하도록 구성되는 시료 채취부; 베타레이 소스 및 베타레이 검출기를 활용하여, 상기 시료 채취부에 의해 채취된 미세먼지 시료에 기초하여 굴뚝 내 미세먼지의 양을 측정하도록 구성되는 시료 측정부; 및 상기 시료 채취부 및 상기 시료 측정부를 상호 단열시키도록 구성되는 단열부를 포함할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 시료 채취부는, 가열 흡인관을 통해 흡인되는 미세먼지 시료를 미리 설정된 제1 온도 범위로 가열시키기 위한 가열 도관; 및 상기 가열 도관에 의해 가스화된 상기 미세먼지 시료 내의 수증기를 외부로 배출시키기 위한 흡인 공기 배출관을 포함할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 흡인 공기 배출관 내에는 상기 흡인 공기 배출관 내의 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 센서가 배치되고, 제어부는 상기 제1 온도 센서에 의해 측정되는 상기 흡인 공기 배출관 내의 온도가 상기 미리 설정된 제1 온도 범위 미만인 경우 상기 가열 도관의 가열 온도를 증가시켜 상기 흡인 공기 배출관 내의 온도가 상기 미리 설정된 제1 온도 범위 이내가 되도록 제어할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 일체로 형성되되, 상기 시료 채취부의 적어도 일부 영역 및 상기 시료 측정부의 적어도 일부 영역을 통해 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 승강 부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 승강 부재의 적어도 일부 영역과 결합되되, 상기 승강 부재의 상승 이동 또는 하강 이동을 가능하게 하는 승강 구동 모터를 더 포함하고, 상기 승강 구동 모터에 의해 상기 승강 부재가 하강 시에 상기 승강 부재는 상기 시료 채취부에서의 시료채취필터 및 상기 시료 측정부에서의 시료측정필터의 둘레를 밀착하여 폐쇄시키도록 구성될 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 시료 측정부는, 상기 시료 측정부의 적어도 일부 영역에 배치되어 상기 시료 측정부의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서; 및 상기 시료 측정부의 적어도 일부 영역에 배치되어 상기 시료 측정부 내의 공기를 냉각시키기 위한 냉각팬을 포함할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 제어부는, 상기 제2 온도 센서에 의해 측정되는 상기 시료 측정부의 온도가 미리 설정된 제2 온도를 초과하는 경우 상기 냉각팬을 활성화함으로써 상기 시료 측정부의 온도가 상기 미리 설정된 제2 온도를 유지하도록 제어할 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 승강 구동 모터는 상기 시료 채취부와 상기 시료 측정부 사이의 중간 영역에 단일의 모터로 구현될 수 있다.

또한, 보다 바람직하게는, 상기 시료 측정부 내에서, 상기 베타레이 소스가 하측에 배치되어 상측에 배치된 상기 베타레이 검출기로 베타레이를 조사하거나, 또는 상기 베타레이 소스가 상측에 배치되어 하측에 배치된 상기 베타레이 검출기로 베타레이를 조사하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 굴뚝 내 배출가스에서의 수분의 응축을 배제하도록 함으로써 미세먼지 측정에 있어 오차를 최소화하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료 채취 단계에서 배출가스 시료 측정 기준에 따른 온도 범위를 유지하도록 함으로써 보다 정확한 미세먼지 측정을 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료 채취와 시료 측정을 공간적으로 분리하고 상호 단열을 구현함으로써 시료 채취에서의 고온 조건과 시료 측정에서의 항온 조건을 동시에 충족시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 단열 공간을 제공함으로써 온도에 매우 예민한 베타레이 검출기를 보호하여 미세먼지 측정의 오차를 최소화하고 신뢰성을 향상시키며 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료 측정부의 항온 조건을 구현하기 위해서 펠티에 소자를 활용함으로써 단일 소자로 가열 및 냉각을 모두 구현하도록 하고 그에 따라 측정 장치의 성능 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료의 채취 및 측정 시에 필터 여지에 승강 부재가 하강 밀착하도록 구현함으로써 시료의 외부 수분 및 이물질의 혼입을 방지하고 그에 따라 미세먼지 시료의 정확한 측정 정밀도를 유지할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 일반적인 베타레이 미세먼지 측정 장치의 개략도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)의 세부 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)의 세부 구성도이다. 도 2에 도시되는 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 베타레이의 감쇄 원리를 이용하여 굴뚝 내 배출가스에서 미세먼지의 양을 측정하되, 시료 채취의 공간과 시료 측정의 공간을 상호 분리시키는 것을 특징으로 한다.

참고로, 방사성 원자핵이 붕괴하여 원소의 원자 번호가 변경되고 전자 또는 양전자를 방출하는 현상을 베타 붕괴라고 칭하는데, 여기서, 방출되는 전자를 베타(-)입자, 방출되는 양전자를 베타(+)입자로 칭하며, 베타레이라 함은 보통 베타(-)입자를 가리킨다.

베타 붕괴에 의해서 발산되는 전자들이 다른 물질과 충돌할 때에 충돌되는 물질의 내부에 있는 외곽 궤도 전자 및 원자핵과의 산란을 통해 발산되었던 전자가 그 에너지의 일부를 잃어버리게 되고, 베타 입자의 에너지가 작은 경우(예를 들어, 1ev 이하)에는 대부분의 에너지 손실은 충돌되는 물질의 외곽 궤도 전자와의 산란을 통해 발생하게 된다. 그러므로, 베타 입자의 흡수도는 흡수 물질(즉, 충돌되는 물질)의 전자 밀도에 비례하는 특징을 갖는다.

하지만, 전자 밀도는 원자 번호와 원자 질량의 비에 비례하는데 그 비율은 대부분의 원소에서 일정한 값을 갖는다. 따라서, 베타 입자의 감쇄는 흡수 물질의 화학 성분과 무관하게 오직 전자 밀도에만 영향을 받게 된다. 참고로, 분진의 농도 측정 방법으로 광투과 원리를 활용할 경우 물질의 광학적 성질에 의해 많은 측정 오차를 초래할 수 있지만, 베타 붕괴에 의한 방법에서는 이러한 오차가 상대적으로 적게 된다.

베타레이 흡수에 의한 베타 입자가 어떤 매질을 통과할 때에 감쇄되는 정도는, 비어 램버트(Beer-Lambert) 관계식에 따라 물질의 질량 밀도에 지수 함수적으로 변하게 된다. 따라서, 베타레이의 농도 측정은 베타 입자가 매질을 통과할 때 감쇄되는 정도를 물질의 질량 밀도에 지수적으로 변화하는 아래의 수학식 1의 함수로부터 산출할 수 있다.

[수학식 1]

I = I₀ * exp(-υφ)

여기서,

I₀: 초기 베타레이의 세기 (count rate),

I: 매질을 통과한 이후의 베타레이의 세기

φ: 흡수 물질의 질량 밀도 (mg/cm²)

υ: 베타레이의 감쇄 계수 (cm²/mg) (υ는 흡수 물질의 전자 밀도의 함수이지만 대부분의 원소 성분에 대해 일정함)

감쇄 계수는 교정을 통해 사전적으로 결정되므로, 초기 베타레이의 세기(I₀)와 베타레이 검출기를 통해 측정된 매질을 통과한 이후의 베타레이의 세기(I)를 통해 흡수 물질의 질량 밀도(φ)를 산출할 수 있다.

도 2a에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 시료 채취부(10)와, 단열부(20)와, 시료 측정부(30)와, 개방/밀착 제어부(40)와, 필터부(50)와, 제어부(60), 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 도 1에 도시되는 일반적인 베타레이 미세먼지 측정 장치가 시료의 채취 및 측정을 동일한 공간에서 수행하고 그에 따라 수분이 다량 함유된 굴뚝 배출가스의 미세먼지 측정에는 활용이 실질상 불가능한 것과는 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 단열부(20)에 의해 시료 채취부(10)와 시료 측정부(30)가 공간적으로 분리됨과 동시에 시료 채취부(10)와 시료 측정부(30)가 상호 단열됨으로써 시료 채취부(10)에서의 고온 조건(예를 들어, 120 ± 14℃, 공정시험법에 따름, 이하 상술함) 및 시료 측정부(30)에서의 항온 조건(예를 들어, 40℃, 이하 상술함)을 동시에 충족시키는 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명의 특유의 특징에 대해서는 이하에서 보다 상술하기로 한다.

시료 채취부(10)는 굴뚝 내의 배출가스로부터 미세먼지 시료를 채취하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 시료 채취부(10)의 전단에서 입경분리장치에 의해 PM10 미만 또는 PM2.5 미만의 미세먼지만이 분리될 수 있고, 가온된 미세먼지 시료는 가열 흡인관(12)을 통해 시료 채취부(10)로 흡인될 수 있다.

가열 흡인관(12)을 통해서 흡인된 미세먼지 시료는 시료 채취 장치(11)의 외벽 내부에 내장되는 가열 도관(13)에 의해 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃)로 유지될 수 있으며, 여기서 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃)는 미세먼지 시료에 포함된 수증기를 가스화하여 시료채취필터(54)를 통해 흡인 공기 배출관(15)을 통해 외부로 배출시키기 위한 온도 범위에 해당할 수 있다. 고온의 수증기가 100℃ 이하의 온도에서는 물로 응축되게 되고, 응축된 물은 시료 채취에 있어 추가적인 질량 농도로 작용하게 되어 미세먼지 측정에 있어 심각한 오차의 원인이 된다.

즉, 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃)로 미세먼지 시료를 가열시키는 조건이 유지되는 경우 시료채취필터(54)에서는 미세먼지만이 채취될 수 있고, 고온의 가스화된 수증기를 포함하는 시료 가스는 흡인 공기 배출관(15)을 통해 후단의 처리 장치(예를 들어, 제습기, 가스/압력 센서, 유량계, 흡인 펌프, 등)로 배출되게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 가열 흡인관(12)을 통해 흡인되는 미세먼지 시료를 가열 도관(13)을 활용하여 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃)로 가열시키고 가열 도관(13)에 의해 가스화된 미세먼지 시료 내의 수증기를 흡인 공기 배출관(15)을 통해 배출시킴으로써, 미세먼지 시료 채취에 있어 수분을 완전하게 배제할 수 있으며 그에 따라 미세먼지 측정의 오차를 최소화함과 동시에 신뢰도를 상당히 개선할 수 있다.

이러한 미세먼지 측정의 정확도 및 신뢰도를 지속적으로 보장하기 위해서, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 흡인 공기 배출관(15)의 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 센서(16)가 상기 흡인 공기 배출관(15)의 적어도 일부 영역에 배치될 수 있다.

제1 온도 센서(16)에 의해서 감지되는 흡인 공기 배출관(15)의 온도, 즉 시료 가스가 시료채취필터(54)를 통과하는 온도가 제어부(60)로 전달될 수 있고, 제어부(60)는 제1 온도 센서(16)에 의해 측정되는 흡인 공기 배출관(15) 내의 온도가 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃) 미만인 경우에 가열 도관(13)의 가열 온도를 증가시켜 흡인 공기 배출관(15) 내의 온도가 미리 설정된 제1 온도 범위(예를 들어, 120 ± 14℃) 이내가 되도록 제어함으로써 시료 채취부(10)에서의 고온 조건, 즉 미세먼지 시료 내의 수분이 모두 가스화되어 흡인 공기 배출관(15)을 통해 배출되도록 하는 온도 조건을 충족시킬 수 있으며, 그에 따라 미세먼지 시료 채취에 있어 추후 미세먼지 측정에 오차를 유발하는 인자인 수분을 완전하게 배제할 수 있다.

시료 측정부(30)는 베타레이 소스(36) 및 베타레이 검출기(39)를 활용하여, 시료 채취부(10)에 의해 채취된 미세먼지 시료에 기초하여 굴뚝 내 미세먼지의 양을 측정하도록 구성될 수 있다. 베타레이 소스 장착부(35)의 일 영역에 장착된 베타레이 소스(36)는 소정의 베타레이를 방출할 수 있고, 방출된 베타레이는 시료측정필터(57)를 통과하면서 포집된 미세먼지에 의해 베타레이의 일부가 흡수되며 나머지의 베타레이가 베타레이 검출기 하우징(31)에 구비된 베타레이 검출기(39)에서 검출됨으로써 굴뚝 내 미세먼지의 양이 산출될 수 있다.

참고로, 도 2a의 구성에서는 베타레이 소스(36)가 하측에 배치되어 상측에 배치된 베타레이 검출기(39)를 향해 베타레이를 조사하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 베타레이 소스(36)가 상측에 배치되어 하측에 배치된 베타레이 검출기(39)를 향해 베타레이를 조사하도록 시료 측정부(30)를 구현하는 것 또한 가능하다. 특히, 후자의 경우에 온도에 매우 민감한 베타레이 검출기(39)를 열원과 보다 이격 배치시킴으로써 시료 측정부(30)에서의 항온 조건(예를 들어, 40℃)을 보다 용이하게 구현할 수 있다.

여기서, 베타레이 검출기(39)는 예를 들어 PMT(photomultiplier tube)일 수 있고, 이러한 베타레이 검출기(39)는 검출 동작이 가능한 상한 온도가 약 40℃이다. 그러므로, 미세먼지 측정 시에 수분 성분의 완전한 배제를 위해 미세먼지 시료를 매우 고온(예를 들어, 120 ± 14℃)으로 유지시켜야만 하는 시료 채취부(10)와 베타레이 검출기(39)가 구비되는 시료 측정부(30)는 상호 공간적으로 분리되면서 동시에 상호 단열 시키는 것이 바람직하며, 이를 구현하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 단열부(20)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 도 2a에 도시되는 바와 같이, 단열부(20)는 단열벽(21)과 단열판(22)으로 구성되고, 단열벽(21) 및 단열판(22)은 일체로 형성될 수 있으며, 단열벽(21)에 의해 시료 채취부(10)와 시료 측정부(30) 사이의 복사열을 차단할 수 있고 단열판(22)에 의해 시료 채취부(10)와 시료 측정부(30) 사이의 열전도를 차단할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)에서는 시료 채취부(10)에서의 고온 조건(예를 들어, 120 ± 14℃)과 시료 측정부(30)에서의 항온 조건(예를 들어, 40℃)을 동시에 충족시키는 것이 가능하다.

시료 측정부(30)에서의 항온 조건과 관련하여, 배출가스 내의 미세먼지 측정을 위해서는 측정의 온도를 항상 일정하게 유지하는 것이 바람직한데, 이는 동일한 측정 조건에서 지속적으로 미세먼지 양을 측정해야만 측정 오차가 발생하지 않기 때문이다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 측정부(30)는 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에 배치되어 시료 측정부(30)의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서(38)를 더 포함할 수 있고, 또한 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에는 시료 측정부(30) 내의 공기를 냉각시키기 위한 냉각팬(33)이 더 구비될 수 있다.

따라서, 제어부(60)는 제2 온도 센서(38)에 의해 측정되는 시료 측정부(30)의 온도가 미리 설정된 제2 온도(예를 들어, 40℃)를 초과하는 경우 냉각팬(33)을 활성화함으로써 시료 측정부(30)의 온도가 상기 미리 설정된 제2 온도(예를 들어, 40℃)를 유지하도록 제어할 수 있다. 그에 따라, 검출기의 온도가 동일한 일정 온도가 되었을 때에 실효 측정값을 검출할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 시료 측정부(30)는 주기적으로 영점 교정과 스판 교정을 시행함에 있어 스판 교정판(span filter)을 삽입할 수 있도록 스판 교정구(32)를 추가로 구비할 수 있다.

필터부(50)는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)의 하측에 배치되어 공급용 여과 필터를 롤(roll) 형태로 저장할 수 있다. 여과 필터는 필터 캐리어(51)에 의해 안전하게 공급될 수 있고, 필터 캐리어(51) 부근에 포토 센서(52)를 배치함으로써 공급 필터의 길이를 정확하게 측정하여 동일한 길이로 공급할 수 있도록 하고, 그에 따라 측정 구간이 일정하게 유지되도록 한다.

측정된 시료는 캐리어 받침대(55)에서 필터를 안정되게 유지시키면서 측정시료보관소(56)로 이송함으로써 보관될 수 있다.

이와 관련하여, 시료 필터를 이송하기 위해서는 시료채취필터(54)와 시료측정필터(57)가 개방될 필요가 있지만 시료 채취와 시료 측정이 수행될 때에는 외부 공기가 완전하게 차단될 수 있도록 시료채취필터(54)와 시료측정필터(57)가 밀폐됨이 바람직하며, 이를 위해 본 발명의 추가 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)는 개방/밀착 제어부(40)를 더 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 개방/밀착 제어부(40)는 일체로 형성되어 시료 채취부(10)의 적어도 일부 영역 및 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역을 통해 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 승강 부재(44)와, 승강 부재(44)의 적어도 일부 영역과 결합되어 승강 부재(44)의 상승 이동 또는 하강 이동을 가능하게 하는 승강 구동 모터(45)로 구성될 수 있다.

따라서, 승강 구동 모터(45)에 의해 승강 부재(44)가 하강 시에 승강 부재(44)는 시료 채취부(10)에서의 시료채취필터(54) 및 시료 측정부(30)에서의 시료측정필터(57)의 둘레를 밀착하여 폐쇄시키도록 구성될 수 있다. 승강 구동 모터(45)에 의해 승강 부재(44)가 하강하는 실시예에 추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 승강 부재(44)의 둘레를 따라 밀착 부재(46)가 추가로 구비될 수 있고, 상기 밀착 부재(46)는 예를 스프링일 수 있으며, 그에 따라 승강 부재(44)를 아래 방향으로 밀착시킬 수 있다.

도 2a는 미세먼지 시료의 채취 및 측정 시에 승강 구동 모터(45)에 의해 승강 부재(44)가 하강하여 시료채취필터(54) 및 시료측정필터(57)의 둘레를 밀착시키거나 또는 밀착 부재(46)에 의한 탄성력에 의해 승강 부재(44)가 하측 방향으로 가압되어 시료채취필터(54) 및 시료측정필터(57)의 둘레를 밀착시키는 구성을 도시하고, 도 2b는 필터 이송 시에 승강 구동 모터(45)에 의해 승강 부재(44)가 상승하여 시료채취필터(54) 및 시료측정필터(57)가 일시적으로 개방되며, 개방된 공간을 따라 필터가 이송될 수 있게 된다.

참고로, 제어부(60)는 다양한 구현예에 따라 또는 실시예에 따라 컨트롤러(controller), 마이크로컨트롤러(micro-controller), 프로세서(processor), 마이크로프로세서(micro-processor) 등의 다른 장치 타입으로도 구현될 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 2b에는 명시적으로 도시하지는 않으나, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 시료 측정부(30)의 2중 차단 부재를 추가로 구비함으로써 에너지 공급의 효율을 보다 개선할 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 2b에는 시료 채취부(10)의 적어도 일부 영역에 결합되는 승강 부재(44)와 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에 결합되는 승강 부재(44)가 일체로 형성되어 단일의 승강 구동 모터(45)에 의해 일체로 상하 슬라이딩 이동하는 구성을 도시하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 시료 채취부(10) 측의 승강 부재(44)와 시료 측정부(30)의 측의 승강 부재(44)에 각각 상이한 승강 구동 모터가 기계적으로 결합됨으로서 상이한 승강 구동 모터에 의해 각각 구동될 수 있도록 본 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)가 구현될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 추가 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)의 세부 구성도이다. 도 2와 관련하여 기술한 바와 같이, 시료 측정부(30)에서는 측정을 위한 동일한 조건(예를 들어, 40℃의 온도, 등)을 유지하는 것이 중요하고, 굴뚝 내 배출가스가 일반적으로 매우 고온이고 시료 채취부(10)에서는 수분의 가스화를 위해 특정한 고온 범위(예를 들어, 120 ± 14℃)를 유지하도록 설계되므로 시료 측정부(30)에서는 일정한 온도(예를 들어, 40℃)를 유지하기 위해서 냉각팬(33)을 활용하는 것이 일반적이다.

다만, 동절기의 경우 외부 온도가 -20℃까지 강하할 수 있고 그에 따라 시료 측정부(30)의 온도가 설정 유지 온도(예를 들어, 40℃) 미만으로 떨어질 수도 있다. 이 경우에 냉각팬(33)에 의해서는 40℃의 온도 유지가 사실상 불가능하게 되므로, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 시료 측정부(30)의 가열 및 냉각을 모두 구현할 수 있는 펠티에(Peltier) 소자(33-1, 또는 열전소자)가 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에 배치될 수 있으며, 그러한 펠티에 소자(33-1)가 배치된 예가 도 3에 예시적으로 도시된다.

따라서, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 펠티에 소자(33-1)를 활용하여 시료 측정부(30) 내 공간의 가열 및 냉각을 모두 구현함으로써 항온 조건을 구현하게 되므로, 가열 장치와 냉각 장치를 별도로 구비할 필요가 없어 공간적 효율성과 비용적 효율성을 상당히 증대시킬 수 있다.

또한, 승강 부재(44)의 상승 이동 및/또는 하강 이동을 가능하게 하는 승강 구동 모터(45)가 도 2에서는 승강 부재(44)의 일 측에 결합되는 예를 도시하지만, 본 발명의 추가 실시예에 따르면 승강 구동 모터(45)는 시료 채취부(10)와 시료 측정부(30) 사이의 중간 영역에 단일의 모터로서 구현될 수 있으며, 그러한 예가 도 4에 예시적으로 도시된다. 예를 들어, 승강 구동 모터(45)는 승강 부재(44)의 무게 중심점에 실질상 대응하는 중심 영역에 배치됨으로써 승강 부재(44)의 상승 및/또는 하강 시에 안정성을 개선할 수 있으며, 이때 승강 부재(44)의 일부 영역은 단열판(22)을 관통하여 승강 구동 모터(45)에 결합될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 굴뚝 내 배출가스에서의 수분의 응축을 배제하도록 함으로써 미세먼지 측정에 있어 오차를 최소화하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료 측정부의 항온 조건을 구현하기 위해서 펠티에 소자를 활용함으로써 단일 소자로 가열 및 냉각을 모두 구현하도록 하고 그에 따라 측정 장치의 비용 절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치에 의하면, 시료의 채취 및 측정 시에 필터 여지에 승강 부재가 하강 밀착하도록 구현함으로써 시료의 외부 수분 및 이물질의 혼입을 방지하고 그에 따라 미세먼지 시료의 정확한 측정 밀도를 유지할 수 있다.

한편, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 하드웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 소프트웨어 및/또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들은 하나 이상의 주문형 반도체(ASIC)들, 디지털 신호 프로세서(DSP)들, 디지털 신호 프로세싱 디바이스(DSPD)들, 프로그램어블 논리 디바이스(PLD)들, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA)들, 프로세서들, 컨트롤러들, 마이크로컨트롤러들, 마이크로프로세서들, 여기서 제시되는 기능들을 수행하도록 설계되는 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합 내에서 구현될 수 있다.

또한, 예를 들어, 다양한 실시예들은 명령들을 포함하는 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록되거나 인코딩될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록 또는 인코딩된 명령들은 프로그램 가능한 프로세서 또는 다른 프로세서로 하여금 예컨대, 명령들이 실행될 때 방법을 수행하게끔 할 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수도 있다. 예를 들어, 이러한 컴퓨터-판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 기타 광학 디스크 저장 매체, 자기 디스크 저장 매체 또는 기타 자기 저장 디바이스를 포함할 수 있다.

이러한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등은 본 명세서에 기술된 다양한 동작들 및 기능들을 지원하도록 동일한 디바이스 내에서 또는 개별 디바이스들 내에서 구현될 수 있다. 추가적으로, 본 발명에서 "~부"로 기재된 구성요소들, 유닛들, 모듈들, 컴포넌트들 등은 함께 또는 개별적이지만 상호 운용가능한 로직 디바이스들로서 개별적으로 구현될 수 있다. 모듈들, 유닛들 등에 대한 서로 다른 특징들의 묘사는 서로 다른 기능적 실시예들을 강조하기 위해 의도된 것이며, 이들이 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 실현되어야만 함을 필수적으로 의미하지 않는다. 오히려, 하나 이상의 모듈들 또는 유닛들과 관련된 기능은 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 수행되거나 또는 공통의 또는 개별의 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들 내에 통합될 수 있다.

특정한 순서로 동작들이 도면에 도시되어 있지만, 이러한 동작들이 원하는 결과를 달성하기 위해 도시된 특정한 순서, 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 또는 모든 도시된 동작이 수행되어야 할 필요가 있는 것으로 이해되지 말아야 한다. 임의의 환경에서는, 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 더욱이, 상술한 실시예에서 다양한 구성요소들의 구분은 모든 실시예에서 이러한 구분을 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되며, 기술된 구성요소들이 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키징될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 시료 채취부
11: 시료 채취 장치
12: 가열 흡인관
13: 가열 도관
15: 흡인 공기 배출관
16: 제1 온도 센서
20: 단열부
21: 단열벽
22: 단열판
30: 시료 측정부
31: 베타레이 검출기 하우징
32: 스판 교정구
33: 냉각팬
33-1: 펠티에 소자
35: 베타레이 소스 장착부
36: 베타레이 소스
38: 제2 온도 센서
39: 베타레이 검출기
40: 개방/밀착 제어부
44: 승강 부재
45: 승강 구동 모터
46: 밀착 부재
50: 필터부
51: 필터 캐리어
52: 포토 센서
54: 시료채취필터
55: 캐리어 받침대
56: 측정시료보관소
57: 시료측정필터
60: 제어부
100: 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치

Claims

베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100)로서,
굴뚝 내의 배출가스로부터 미세먼지 시료를 채취하도록 구성되는 시료 채취부(10);
베타레이 소스(36) 및 베타레이 검출기(39)를 활용하여, 상기 시료 채취부(10)에 의해 채취된 미세먼지 시료에 기초하여 굴뚝 내 미세먼지의 양을 측정하도록 구성되는 시료 측정부(30); 및
상기 시료 채취부(10) 및 상기 시료 측정부(30)를 상호 공간적으로 분리함과 동시에 상호 단열시키도록 구성되는 단열부(20)를 포함하고,
상기 단열부(20)에 의해, 상기 시료 채취부(10)에서 채취된 미세먼지 시료에 포함된 수증기를 가스화하는 고온 조건 및 상기 시료 측정부(30)에서의 시료 측정 온도에 관한 항온 조건이 동시에 충족되는 것을 특징으로 하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 1 항에 있어서,
상기 시료 채취부(10)는,
가열 흡인관(12)을 통해 흡인되는 미세먼지 시료를 미리 설정된 제1 온도 범위로 가열시키기 위한 가열 도관(13); 및
상기 가열 도관(13)에 의해 가스화된 상기 미세먼지 시료 내의 수증기를 외부로 배출시키기 위한 흡인 공기 배출관(15)을 포함하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 2 항에 있어서,
상기 흡인 공기 배출관(15) 내에는 상기 흡인 공기 배출관(15) 내의 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 센서(16)가 배치되고,
제어부(60)는 상기 제1 온도 센서(16)에 의해 측정되는 상기 흡인 공기 배출관(15) 내의 온도가 상기 미리 설정된 제1 온도 범위 미만인 경우 상기 가열 도관(13)의 가열 온도를 증가시켜 상기 흡인 공기 배출관(15) 내의 온도가 상기 미리 설정된 제1 온도 범위 이내가 되도록 제어하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 1 항에 있어서,
일체로 형성되되, 상기 시료 채취부(10)의 적어도 일부 영역 및 상기 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역을 통해 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 승강 부재(44)를 더 포함하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 4 항에 있어서,
상기 승강 부재(44)의 적어도 일부 영역과 결합되되, 상기 승강 부재(44)의 상승 이동 또는 하강 이동을 가능하게 하는 승강 구동 모터(45)를 더 포함하고,
상기 승강 구동 모터(45)에 의해 상기 승강 부재(44)가 하강 시에 상기 승강 부재(44)는 상기 시료 채취부(10)에서의 시료채취필터(54) 및 상기 시료 측정부(30)에서의 시료측정필터(57)의 둘레를 밀착하여 폐쇄시키도록 구성되는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 1 항에 있어서,
상기 시료 측정부(30)는,
상기 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에 배치되어 상기 시료 측정부(30)의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서(38); 및
상기 시료 측정부(30)의 적어도 일부 영역에 배치되어 상기 시료 측정부(30) 내의 공기를 냉각시키기 위한 냉각팬(33)을 포함하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 6 항에 있어서,
제어부(60)는, 상기 제2 온도 센서(38)에 의해 측정되는 상기 시료 측정부(30)의 온도가 미리 설정된 제2 온도를 초과하는 경우 상기 냉각팬(33)을 활성화함으로써 상기 시료 측정부(30)의 온도가 상기 미리 설정된 제2 온도를 유지하도록 제어하는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 5 항에 있어서,
상기 승강 구동 모터(45)는 상기 시료 채취부(10)와 상기 시료 측정부(30) 사이의 중간 영역에 단일의 모터로 구현되는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).
제 1 항에 있어서,
상기 시료 측정부(30) 내에서,
상기 베타레이 소스(36)가 하측에 배치되어 상측에 배치된 상기 베타레이 검출기(39)로 베타레이를 조사하거나, 또는
상기 베타레이 소스(36)가 상측에 배치되어 하측에 배치된 상기 베타레이 검출기(39)로 베타레이를 조사하도록 구성되는,
베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치(100).